控制LED驱动器的EMI

Frederik Dostal

如今，几乎所有照明应用都使用LED。在相对较短的时间内，它们已成为照明的首选。然而，在大多数应用中，LED不能单独实现其功能。LED 必须使用合适的电源运行。这种驱动电路自然应该尽可能高效，以降低能耗，这就是为什么开关模式电源主要用于此目的的原因。

对于所有电源，无论类型如何，都应考虑电磁兼容性。在LED灯的情况下尤其如此。随着时间的推移，已经建立了各种测量标准， 评估， 和记录 LED 灯产生的干扰.

不受控制的电磁干扰会产生严重后果。就在最近，我亲身体验了其中之一。我的电动车库开门器上的一个旧的 E27 白炽灯泡烧坏了。在我用现代LED灯泡替换它后，灯又亮了。但是，我无法再用遥控器打开车库门。因此，LED灯的辐射发射一定对车库门的无线电电子设备造成了干扰。

开关模式电源产生的辐射部分传导，部分辐射。因此，LED驱动器的电磁辐射可以通过电源线传输，也可以磁性或电容耦合到相邻的电路段中。这些辐射通常不具有破坏性，但它们可能导致相邻电路组件功能不正常。

因此，尽量减少产生的排放是有意义的，但在这方面必须满足哪些要求？欧盟的所有电气和电子产品都需要CE标志。CE标志证明产品符合欧盟安全，健康和环境保护规则。因此，允许在欧洲经济区内运输此类合规设备。在世界其他地区，还有其他与辐射发射有关的重要要求。例子包括UL，CSA等。

有许多专门与LED灯的安全性和排放相关的标准。一个主要的是CISPR 11。CISPR 代表 国际无线电干扰特别委员会。还有许多其他规则和法规，包括ISO，IEC，FCC，CENELEC，SAE等，都基于CISPR标准。

通过使用额外的供应线过滤器采取适当的措施，可以预测地减少传导排放。这些滤波器设计用于解决共模或差模噪声。通常在这里起作用的频率范围低于30 MHz。然而，开发这些过滤器并不是那么简单。滤波器通常针对特定频率范围进行优化。在其他频率范围内，寄生效应和由此产生的所用组件行为变化可能会导致问题。例如，滤波器可以很好地减少100 kHz开关模式电源产生的辐射。但是，电源通常会产生很宽频率范围的辐射，尤其是在10 MHz以上。在这里，针对100 kHz优化的滤波器甚至可以通过寄生效应和谐振增加发射。

以这种方式无法预测地减少辐射发射。在这里，PCB走线的寄生电感和电容以及无源电路元件的能量含量起着决定性的作用。频率范围通常高于30 MHz，直至相应标准中规定的上限。减少这些辐射发射是非常困难的。它需要大量的经验和背景知识。特别是在LED灯的驱动中，辐射发射水平可能非常高。通常驱动一串 LED。这种串联电路通常需要在电路板上占用大量空间。因此，几何布置具有天线的特性，并且产生的发射被特别有效地辐射。屏蔽电路是复杂、昂贵的，而且，在LED的情况下，甚至不可能，部分原因是所需的光无法穿过金属板屏蔽。因此，解决方案在于仅产生少量的辐射发射。

在设计带电源的LED灯泡时，请注意以下有关电磁兼容性的可能性：

在电源的所有输入和输出端添加滤波器，而不真正了解具体的排放。这通常会导致超大尺寸组件的高成本和更高的制造成本。

重复使用经过验证的过滤器概念，而无需每次都调整过滤器。在这里，也可能会出现更高的组件成本，并且过滤器设计可能不是最佳的。

委托专家提供过滤器设计。为此，外部专家也必须在正确的时间到场。这也会导致额外的成本。

选择已经设计为最小辐射和最佳EMC行为的开关稳压器IC。在这种情况下，需要最少的过滤或不需要过滤。

大多数LED驱动器是升压转换器。图1显示了此类转换器的电路原理图。升压转换器通常在输入侧具有较低的传导辐射。输入电流是非脉动的（蓝色电流环路）。然而，在输出侧，由于脉冲电流流过反激二极管（红色电流环路），因此存在非常高的发射。在导通期间（即接地开关导通时），电感充电，没有电流流过反激二极管。在此时间段中为负载供电的总能量来自输出电容。

图1.升压转换器的电路图，这是LED驱动器的一种非常常见的拓扑结构。

在图1中，导通时间的电流以蓝色显示，关断时间的电流以绿色显示。电流在极短的时间内或开关转换时间内发生变化的所有路径在图1中以红色显示。这些路径在短短几纳秒内将其状态从电流变为无电流。它们是关键路径，必须设计得尽可能小和紧凑，以减少辐射发射。

由于创新而产生低得多辐射发射的开关稳压器IC最近已经问世。关键路径的布置非常对称，以至于产生的磁场由于电流的不同方向而在很大程度上相互抵消。

图2.静音切换器概念应用于具有相互抵消磁场的升压转换器。

图 2 显示了此拓扑的对称排列。顶部红色回路中产生的磁场与底部红色回路中产生的磁场大小相同，但指向相反的方向。这会产生字段取消的效果。在ADI公司，该技术以静音切换器的名义销售。除了这项创新之外，所有关键线段的寄生电感都大幅降低，从而大大减少了辐射场。静音开关拓扑利用功率晶体管的专有布局来实现这种磁消除效果。功率晶体管和升压转换器（热回路）输出电容之间的路径长度决定了该磁场所涉及的电感。在静音切换器 2 技术中，此路径的长度大大缩短。这是通过所谓的倒装芯片技术实现的。在这里，开关稳压器IC中的硅不是通过键合线连接到IC外壳，而是通过铜柱连接。这些支柱的电感要低得多。因此，对于相同的电流开关速度，电压偏移要低得多，因此辐射发射水平也更低。因此，通过使用优化的LED驱动器IC，很有可能大幅降低EMI。在某些情况下，甚至可以在不使用EMI滤波器的情况下保持在一定的EMI限值内。

具有极低辐射发射的实用电路如图3所示。此处，LT3922-1 采用升压电路工作。10 个 LED 链，电流为 333 mA，输入电压为 8 V 至 27 V。对于这个星座，开关是在2 MHz的开关频率下完成的，产生的辐射最小。

图3.静音开关电源LED驱动器的示例电路经过优化，可实现最小的辐射和最佳的EMC行为。

图4显示了图3电路的平均辐射发射。红线显示了CISPR 25规范中的相应限制。可以看出，这个规范很容易满足（下冲）。

图4.图 25 中 LT3922-1 的平均辐射 EMI （CISPR 3）。

专为低辐射而设计的 LED 驱动器（例如 LT3922-1）通常还提供激活扩频频率调制 （SSFM） 功能的选项。这可能不会减少产生的实际辐射，但它会在更宽的频率范围内传播发射。通过这种方式，可以在各个EMC标准的测量中获得更好的结果。LT3922-1 在分别设定的开关频率和该值的 125% 之间提供了此功能。扩频还可以在VHV和UHV频段产生非常显着的影响，将任何给定频率的发射减少到影响无线电通信的水平以下。

与每个开关稳压器一样，对于LED驱动器，电路板布局的设计非常关键。静音切换器和静音切换器 2 技术等现代创新有助于显著改善 EMC 行为，但避免印刷电路板布局出现任何错误仍然很重要。正确放置传导快速开关电流的关键元件对于最大限度地减少辐射发射尤其重要。这些路径中应包含尽可能少的寄生电感。电流环路的设计也应尽可能紧凑。为了帮助成功考虑这些方面，LT3922-1 数据手册等详细文档提供了有价值且清晰的信息。

当今的一些现代LED驱动器专门用于最大限度地减少电磁辐射。为此，他们使用了开关稳压器领域的一些关键创新，包括ADI公司的静音开关和静音开关2技术。使用这些IC进行设计时，符合EMI限制所需的工作量相对较低。

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